2016, Vol. 36
2. 430079 武汉, 湖北省肿瘤医院医学信息分析与肿瘤诊疗湖北省重点实验室 ;
3. 271016 泰安, 泰山医学院放射学院
2. Hubei Key Laboratory of Medical Information Analysis & Tumor Diagnosis and Treatment, Wuhan 430079, China ;
3. Department of Radiology, Taishan Medical University, Taian 271016, China
临床上CT 辐射剂量常用容积CT 剂量指数(CTDIvol)、剂量长度乘积(DLP)来表征，其值的大小与患者体型无关，是设备输出的辐射剂量，而非患者接受的辐射剂量[1-2]；Li等[3]的研究表明，对于较小个体的儿童患者，扫描时如用32 cm 的标准体模来评估，得到的CTDIvol值可能会造成对患者辐射剂量低估2～3倍；因此，在不考虑患者体型情况下，利用CTDIvol及DLP等指数来评估患者的CT有效剂量是不准确的。
美国医学物理学会(AAPM)于2011年和2014年[4-5]分别提出了用有效直径(ED)和水等效直径(WED)联合CTDIvol来估算基于CT患者体型的特异性的剂量评估(SSDE)，以此来弥补体型对于CTDIvol及DLP等指数的影响。因此，本研究旨在比较这两种算法在估算成人胸、腹部CT辐射剂量SSDE的差异来探讨其在临床中的进一步应用。
资料与方法1. 一般资料：回顾性分析2015年12月至2016年1月于本院行胸、腹部CT平扫的患者共240例(胸部161例，腹部79例)。其中，男143例，女97例；年龄20～75岁，平均53.2岁。所有患者及家属检查前均签署知情同意书。
2. 扫描方法：采用德国西门子SOMATOM Definition AS 64排128层CT机，患者仰卧位，双手上举，胸部、腹部扫描前均行训练呼吸。胸部扫描从肺尖扫至肺底，腹部扫描从膈顶扫至髂前上棘。扫描参数：螺旋扫描，管电压100～120 kV，均使用CARE Dose 4D技术，重建层厚5 mm，层间隔5 mm，重建视野(field of view，FOV)为500 mm。
3. 数据采集与测量：将扫描图像及剂量报告传至图像存储与传输系统(PACS)中；从PACS中记录每位患者的容积CT剂量指数CTDIvol，并参考AAPM 204及220号报告[4-5]，对扫描容积范围内的最中间层面的CT图像进行数据测量。
测量每位被检者的前后径(AP,cm)、 左右径(LAT，cm)，同时计算ED及转换因子(fsize,ED)，并参考AAPM 204号报告[4]计算SSDEED，如公式1~3。
| $~ED=\text{ }\sqrt{AP\times LAT}$ | (1) |
| ${{f}_{size,ED}}=a\times {{e}^{-b\times ED}}$ | (2) |
| $SSD{{E}_{ED}}={{f}_{size,ED}}\times CTD{{I}_{vol}}$ | (3) |
选取椭圆形的ROI包含整个段面(不包含床板)，记录ROI的平均CT值(CTROI，HU)及面积(AROI，cm2)，并计算每例患者的WED(cm)及转换因子(fsize,WED)，参考AAPM 220号报告[5]计算SSDEWED，如公式4~6。
| $WED=2\text{ }\sqrt{\left( \frac{C{{T}_{ROI}}}{1\text{ }000}~\text{ }+1 \right)\text{ }\times ~\frac{{{A}_{ROI}}}{~}}$ | (4) |
| ${{f}_{size,WED}}=a\times {{e}^{-b\times WED}}$ | (5) |
| $SSD{{E}_{WED}}={{f}_{size,WED}}\times CTD{{I}_{vol}}$ | (6) |
公式(2)及(5)中a、b值参考AAPM 204及220号报告，分别为a=3.7，b=0.037。
为了比较不同体宽LAT下两种SSDEWED与SSDEED的差异，按不同部位将患者分成3组：胸部分为LAT＜30 cm，30 cm≤LAT≤34 cm，LAT>34 cm；腹部分为LAT＜27 cm，27 cm≤LAT≤32 cm，LAT>32 cm。
4. 统计学处理：计量资料以x±s表示。采用SPSS 17.0软件进行分析。采用t检验比较不同部位患者两种算法中有效直径、转换因子(fsize)和SSDE的差异；采用单因素方差分析分别比较不同部位不同LAT组间LAT、ED、WED、SSDEWED及SSDEED的差异，并采用t检验比较不同部位不同LAT组SSDEWED和SSDEED的差异。P＜0.05为差异有统计学意义。
结果1.胸部扫描两种SSDE方法下的直径、转换因子和SSDE比较：平均ED>WED，平均fsize,ED＜fsize,WED，平均SSDEED＜SSDEWED，且差异均有统计学意义(t=-33.12、32.55、28.44，P＜0.05，表 1)，WED较ED降低了约12.0%，导致SSDEWED较SSDEED增加了约11.6%。平均CTDIvol为(6.1±1.6)mGy。
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表 1 胸部扫描两种SSDE方法下的直径、转换因子和SSDE的结果比较(x±s) Table 1 The comparison of diameter,fsize,SSDE under chest CT in two kind of caculations(x±s) |
3组患者间LAT、ED、WED、SSDEED及SSDEWED差异均有统计学意义(F=273.67、140.97、77.05、19.87、32.21，P＜0.05，表 2)，且SSDEED和SSDEWED随着LAT的增加而增加。3组患者SSDEED和SSDEWED之间差异有统计学意义(t=-12.98、-20.98、-21.18，P＜0.05)。
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表 2 胸部不同LAT组LAT、ED、WED、SSDEED及SSDEWED的比较(x±s) Table 2 The comparison of LAT,ED,WED,SSDEED and SSDEWED under chest CT in three LAT groups(x±s) |
2.腹部扫描两种SSDE方法下的直径、转换因子和SSDE比较：平均ED＜WED，平均fsize,ED＞fsize,WED，平均SSDEED>SSDEWED，差异均有统计学意义(t=-24.09、-22.96、22.46，P＜0.05，表 3)，WED较ED增加了5.2%，导致SSDEWED较SSDEED降低了4.8%。平均CTDIvol(14.4±3.3)mGy。
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表 3 腹部组两种SSDE方法下的直径、转换因子和SSDE的结果比较(x±s) Table 3 The comparison of diameter,fsize,SSDE under abdomen CT in two kind of caculations(x±s) |
3组患者间LAT、ED、WED、SSDEED和SSDEWED 差异均有统计学意义(F=123.89、82.17、83.16、52.74、53.62，P＜0.05，表 4)，且SSDEED和SSDEWED随着LAT的增加而增加；3组不同患者SSDEED和SSDEWED之间差异有统计学意义(t=14.61、17.12、9.26，P＜0.05)。
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表 4 腹部不同LAT组LAT、ED、WED、SSDEED及SSDEWED的比较(x±s) Table 4 The comparison of LAT,ED,WED,SSDEED and SSDEWED under abdomen CT in three LAT groups(x±s) |
讨论
为了剔除受检者体型大小对有效剂量评估的影响，在2011年的AAPM 204号报告中指出[4]，分别利用不同的CT 参考模型研究证实，可以利用患者体型因素(横径、纵径、横径+纵径、有效直径ED)所对应的新的转换因子联合CTDIvol来估算出基于CT患者体型的特异性的剂量评估SSDE。这种方法假设患者体部由椭圆形的横截面组成，并且假设其内部成分都是水，因此，CTDIvol可以由和患者椭圆形横截面面积相等的圆的直径所对应的尺寸特异因子f来校正[5]。然而，这种方法被证明是不准确的，特别是当CT扫描涉及到组织密度与水差异较大时，例如在胸部，绝大部分被空气填充，这种情况已被证明将会低估胸部的吸收剂量[6-7]，而且该方法并不适用人体多变的、不规则的几何外型。随后，在AAPM 220号报告中提出一种新的方法，即用水等效直径WED来估算患者的SSDEWED。
水等效直径WED这个概念的是由Wang等[8-9]于2012年提出来的，他们应用蒙特卡罗模拟验证了运用不同方法(几何直径、水等效直径等)及不同的胸、腹部模型来计算个体体型特异性辐射剂量评估的可能性；并指出，患者的X射线衰减是患者体型大小的重要特征，这与X射线成像关系相当紧密，同几何尺寸如有效直径等比较水等效的面积和直径对于实际衰减是非常有意义的参数，两者同扫描输出CTDIvol结合，就可以估算患者的体型特异性辐射剂量。因此，水等效直径WED用来计算同体部有着同样衰减的水模的直径，其由体部的X射线衰减所对应的平均CT值(CTROI)和患者的横截面面积(AROI)来计算，这种方法不仅适用于患者的不规则的几何尺寸，也适用于不均匀的组织。因此，其在考虑了患者不同部位的衰减因素的基础上改善了AAPM 204号报告中存在的上述问题。目前，国内外关于基于有效直径ED算法的SSDEED的报道较多[10-13]，但是基于水等效直径WED的SSDEWED的报道并不多见。因此，本研究通过比较两种不同的体型特异性的剂量评估在体部中的差异，探讨了基于水等效直径WED的SSDEWED在成人胸腹部中的应用。
本研究中，胸部扫描的WED较ED降低了约12.0%，导致SSDEWED较SSDEED增加了约11.6%；而腹部扫描的WED较ED仅增加了约5.2%，导致SSDEWED较SSDEED降低了约4.8%，这与Wang等[9]及Bostani等[14]用体模实验及临床实验得到的结果相差不大。由此看来，基于WED的SSDEWED算法对胸部的影响较大，而相对于腹部的影响较小。实际上，当用水模模拟扫描时，椭圆形的ROI中反映衰减的指数CTROI接近于0，那么此时的WED就等效于椭圆形面积所对应的长径，这与有效直径ED的原理基本一致。而由于腹部中的各种组织的密度与水的密度大致相同，接近1 g/cm3，因此，由于在腹部区域的整体衰减与水模模拟的衰减相差不大，尽管ED与WED差异有统计学意义，但是这一衰减特点(CTROI更接近于0)也将导致ED与WED相差不大，进而导致腹部扫描SSDEED较SSDEWED也相差不大；在胸部，由于胸部含气量较大并且密度明显低于水，故在胸部区域的整体衰减明显要低于水模模拟的衰减，因此，WED要明显低于ED，从而导致SSDEED较SSDEWED低估了约11.6%。临床上CT 辐射剂量常用CTDIvol等来评估，但是由本研究可以看出，如果用CTDIvol代替SSDEWED，将导致胸部检查患者辐射剂量低估约36%，而腹部检查患者低估约29%，因此，运用SSDEWED来评估CT患者的辐射剂量将会是CT辐射剂量评价领域的一个重大进展，对于临床具有重大意义。
另外，由于随着LAT的增大，ED及WED均逐渐增大，故胸、腹部的不同组的SSDEED及SSDEWED也均逐渐增大；且随着LAT的增大，在胸部组，ED与WED之间的差值(WED＜ED)逐渐变大,在腹部组，ED与WED之间的差值(WED>ED)逐渐变小，胸、腹部不同组SSDEED与SSDEWED之间差值均逐渐变大，这是由于胸部含气量大，故CTROI是负值，随着LAT的增大，其负值越大，ED与WED之间的差值也会逐渐变大；同理，由于在腹部中，CTROI是正值，随着LAT的增大，其正值越小，ED与WED之间的差值也会逐渐变大；因此，胸部SSDEED与SSDEWED之间差值均随着LAT的增大而逐渐变大。
当然，本研究也存在一些不足。首先是本研究选取扫描容积的中间层面来计算相关参数对于SSDEWED的影响，一是由于实际上人体每层CT图像的形态各异,大小不一，如果单独画取每层的ROI时，获得的每层的CTROI和AROI也不同，进而得到的WED和SSDEWED也会存在很大差异，因而，本研究简单地选取中间层面来代表整体显然是不精确；二是由于现在随着管电流自动调制技术(ATCM)的普及，导致每层的管电流不一致，因此，每层的衰减也不相同，而现有的中间层面的算法基本上是默认每层的衰减是一致的，因此，从CT衰减的层面来考虑，用中间层面来代表整体也是不合适的；那么实际上AAPM 220号报告中[5]也提出了另外一种来改善以上两种问题的算法，即先计算每层CT图像的WED，再通过计算标准化的剂量输出来计算每层的CTDIvol，进而得到每层的SSDEWED后再求平均值，得到平均的SSDEWED作为患者的辐射剂量，但是该方法计算比较复杂，目前正在设计软件解决这个问题。其次，本研究未将婴幼儿及青少年纳入考虑范畴，基于ED的SSDEED的一些应用已经表明其对该部分人群是非常有意义的[15]，后期将应用基于WED的SSDEWED继续对该部分人群进行深入研究。
本研究提到了一种新的基于水等效直径WED的体型特异性辐射剂量评估SSDEWED，较基于ED的SSDEED能够更好地代表患者的体型大小及衰减特性，因此，能够更加准确地估算胸腹部CT患者的辐射剂量。
利益冲突 本人与本人家属、其他研究者，未因进行该研究而接受任何不正当的职务或财务利益，在此对研究的独立性和科学性予以保证。本文全体作者声明不存在任何利益冲突作者贡献声明 袁子龙负责文章的撰写及数据的分析；王国柱、邱建峰负责方案的设计；张照喜及刘玉林负责文章撰写完成之后的校对； 郑丽丽、杜东屏、陈迢、彭伟负责数据的采集与测量
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